纳米材料在高分子中的应用

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1、纳米在高分子材料中的应用（讲义）（湖南大学材料科学与工程学院陈宪宏）爱因斯坦早就预言：“未来科学的发展无非是继续向宏观世界和微观世界进军。”众所周知，原子是组成自然界的基本单位。正是这些形形色色的原子，以千差万别的方式排列，才使我们这个世界即充满神奇又多姿多彩。早在1959年12月29日，美国著名物理学家、诺贝尔物理奖获得者理查德.费因曼（Rinchard,Feynman），在美国物理学会召开的年会上，作了一个题为：《底层大有可为，底层还有多大空间》（There'sPlentyofRoomattheBottom）的著名演讲。在演讲中，费因曼满怀激情地说：“当我们深入并游荡在原子的周

2、围，我们是在按不同的定律活动，我们会遇到许许多多新奇的事情，能以全新的方式生产，完成异乎寻常的工作。如果有一天可以按人的意志安排一个个原子，将会产生什么样的奇迹？！”展开想象的翅膀，费因曼给我们描述了这样一副激动人心的画面：通过人为地操纵单个原子，来构造人们需要的特定功能的物质。这如同用原子来搭积木！囿于人们认识水平和科技发展水平，当时听起来无异是天方夜谭。在此之后的二十多年时间内，人们对费因曼所提出的这种新奇的技术并没引起足够的重视。1990年7月，在美国巴尔的摩召开了第一届国际纳米科技会议。这次会议的召开，标志着纳米科技（nanoscienceandtechnology，简称N

3、anoST）的正式诞生。时至今日，费因曼当年的梦想已经开始变为活生生的现实：人类已经开始了在单个原子、分子层次上对物质进行探测和控制研究，并取得了一系列激动人心的重大成果。继网络热潮之后，纳米技术和生物科技将主导下一轮科技浪潮。跨世纪的新学科——纳米科技。纳米技术用途广泛。纳米材料和纳米加工技术的研究，已经揭示了它的许多优越的性能，在广泛的工业和民用领域有着诱人的前景。一、纳米材料研究的新进展及在21世纪的战略地位在充满生机的21世纪，信息、生物技术、能源、环境、先进制造技术和国防的高速发展必然对材料提出新的需求，元件的小型化、智能化、高集成、高密度存储和超快传输等对材料的尺寸要求

4、越来越小；航空航天、新型军事装备及先进制造技术等对材料性能要求越来越高。新材料的创新，以及在此基础上诱发的新技术。新产品的创新是未来10年对社会发展、经济振兴、国力增强最有影响力的战略研究领域，纳米材料将是起重要作用的关键材料之一。纳米材料和纳米结构是当今新材料研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象，也是纳米科技中最为活跃、最接近应用的重要组成部分。近年来，纳米材料和纳米结构取得了引人注目的成就。例如，存储密度达到每平方某时400G的磁性纳米棒阵列的量子磁盘、成本低廉、发光频段可调的高效纳米阵列激光器、价格低廉高能量转化的纳米结构太阳能电池和热电转化元

5、件、用作轨道炮道轨的耐烧蚀高强高韧纳米复合材料等的问世，充分显示了它在国民经济新型支柱产业和高技术领域应用的巨大潜力。正像美国科学家估计的“这种人们肉眼看不见的极微小的物质很可能给予各个领域带来一场革命”。纳米材料和纳米结构的应用将对如何调整国民经济支柱产业的布局、设计新产品、形成新的产业及改造传统产业注入高科技含量提供新的机遇。研究纳米材料和纳米结构的重要科学意义：在于它开辟了人们认识自然的新层次，是知识创新的源泉。由于纳米结构单元的尺度（1～100urn）与物质中的许多特征长度，如电子的德布洛意波长、超导相干长度、隧穿势垒厚度、铁磁性临界尺寸相当，从而导致纳米材料和纳米结构的物

6、理、化学特性既不同于微观的原子、分子，也不同于宏观物体，从而把人们探索自然、创造知识的能力延伸到介于宏观和微观物体之间的中间领域。在纳米体系中，电子波函数的相关长度与体系的特征尺寸相当。此时的电子与处在场外中运动的经典粒子是不同的，电子的波动性在输送过程中得到充分的展现。由于纳米体系在维度上的限制，固体微粒中的电子态、原激发态和相互作用过程中的其它状态明显表现出三维体系不同的许多性质，如量子涨落与混沌，非定域量子相干，多体关联效应以及非线性效应等。对于这些在此之前未见过的稀奇古怪的物理特性研究，使人们对现有的物理理论必须重新认识和定义，并对自然界物资存在的规律重新进行认识，这就需要

7、引入自然界物质的新概念并建立认识自然界的新规律，譬如纳米尺度上的能带、费米能级以及逸出功等新概念。除此之外，还有：在纳米化学中，对表面的化学过程，包括原子簇化合物的研究对吸附/载体系统中的电子性质和对基体表面结构的影响；纳米金刚石的制备技术和应用将对高精度加工技术带来创新；纳米炭粉在电子技术和印刷业中将掀起创新的革命；在纳米能量学中，除了纳米储能材料（如储氢材料、储天然气材料、储其它能量、燃料材料）可作为新型储能材料在纳米领域发现新现象，认识新规律，提出新概念，建立新